智能家居系统中远程视频监控的研究与实现

河北工业大学硕士学位论文智能家居系统中远程视频监控的研究与实现姓名：王治学申请学位级别：硕士专业：物理电子学指导教师：徐晓辉20081001河北工业大学硕士学位论文i智能家居系统中远程视频监控的研究与实现摘要视频监控作为一种传统视频技术与现代通信技术相结合的应用，目前在国内外已引起了越来越多的关注。随着计算机网络技术、多媒体图像压缩技术以及数字通信技术的高速发展，网络视频传输在科研和应用领域均引起人们极大的兴趣，基于网络的数字视频监控系统的应用越来越广泛。它与传统的模拟闭路视频系统相比，具有组网容易、传输距离远、抗干扰能力强、图像质量好、查询简单方便等特点。但是，视频数据量大和网络带宽有限一直是限制视频监控网络化的瓶颈。网络视频监控首先要解决的是视频数据的压缩和实时传输。论文首先简单地描述了智能家居，然后介绍视频监控的发展、现状，并对本课题研究的内容及意义做了说明。论文通过理论和实验的分析，选用MPEG-4标准实现了对视频数据的压缩。关于实时传输的问题，确定了适合本系统的网络传输协议RTP/RTCP协议，并论述了RTP/RTCP协议作为本方案网络传输协议的具体应用。论文昀后给出系统的总体设计，介绍了各个模块的组成并对其做了详细的研究。关键词：远程视频监控，MPEG-4，RTP/RTCP，网络传输智能家居系统中远程视频监控的研究与实现iiRESEARCHANDACTUALIZEONREMOTEVIDEOSURVEILLANCEANDCONTROLINSMARTHOMEABSTRACTAsthecombinedapplicationoftraditionalvideotechniqueandmoderncommunicationtechnique,videomonitoringhasdrawnmoreandmoreattention.Duetothecomputernetworktechniqueandmulti-mediumimagecompressiontechniquealongwiththedigitalcommunicationtechniquearedevelopinghighly,thedigitalvideotransmissionbyInternetisplayingimportantroleinscienceresearchandindustryareassothatthedigitalsurveillanceandcontrolsystembasedonInternetisbeingappliedwidelierandwidlier.Comparedwithconventionalanalogclosed-circuittelevisionsystem,theInternetvideosystemhasseveraladvantagessuchaseasytoarrangesurveillancesystemasnetworkandcoverlargerrange.Butamassofvideodataandfinitenetworkbandwidthlimitvideomonitor’sapplicationonInternetallthetime.InvideomonitoronInternet,whatwemustsolve,firstly,iscompressingandreal-timetransportofvideodata.Inthispaper,firstly,smarthomeisdescribedinbrief.Thenintroducethepresentanddevelopmentonvideosurveillanceandcontrol.Contentsandsignificationofthistopicarealsodescribed.AftercontrastintheoryandexperimentthispaperchoseMPEG-4tocompressthevideodata.Ontheaspectofreal-timetransportofvideodata,RTP/RTCPprotocolisadoptedasthetransmissionprotocolofthissystemespeciallyRTP/RTCPprotocolanditsapplicationinthedesignareanalyzed.Thispaperfinallygivesthetotaldesignofthesystem,andintroducedconstituteofeachmoduleindetail.KEYWORDS:RemoteVideoSurveillanceandControl,MPEG-4,RTP/RTCP,NetworkTransmission河北工业大学硕士学位论文1第一章绪论§1-1智能家居简介智能家居（SmartHome）的概念昀早出现于美国，它一般指将家庭中各种与信息相关的通讯设备、家用电器和家庭保安装置，通过传输技术连接到一个家居智能化系统上，以实现监视、控制和家庭事务性管理，并保持这些家居设施与住宅环境的和谐与协调。智能家居系统作为一个完整的系统，其结构和功能是相当复杂的，整个系统的构建需要涉及许多方面，但无论如何复杂，其基本思路在于：通过网络把各种家居设备连接起来，实现系统与各种家居设备的双向交流。家居智能化就是由一个智能化系统构成安全、舒适和便利的信息化居住空间，从而适应人们在21世纪信息社会中的快节奏和与外部世界保持完全开放的生活环境[1~3]。智能家居的发展从人们昀初的梦想，到今天真实地走进我们的生活，经历了一个艰难的过程。1．2000年是智能家居在中国的一个概念年。通过广播电台、电视、报纸和杂志等诸多媒体的广泛宣传，相当一部分居民已经接受了智能家居这个概念。少数高档的住宅小区已经配套了比较完善的智能家庭网络，并在房地产的销售广告中，已经开始把“智能化”作为其一个“亮点”来宣传[4]。2．2002-2003年，有相当一部分高档和中档的住宅小区和私人住宅，在控制和管理上实现一般意义上的智能化，宽带网进入一般居民的住宅和小区，为智能家庭网络功能的完善佐以一定的条件。随着我国关于智能家庭网络系统的各种标准陆续出台，各种具有一定智能的可以上网的终端产品将根据这些标准陆续研发出来，并进入市场。3．2003-2004年，是智能家庭网络系统在中国推广应用的两年。我国自行研制的系统已经较为成熟，并有能力与国外的系统和产品相抗衡。4．进入2005年以后，我国在智能家居技术领域与欧美国家的差距并不大，仅滞后2-3年，在这几年中，我国全面普及智能家庭网络系统和产品，使其开始走进普通居民的家居中[5~7]。在这期间，智能住宅的概念在欧美等发达国家得到了广泛的认同和发展。欧洲在1986年把集成化的家居系统研究列为尤利卡计划，大力进行研究。在20世纪80年代，欧洲电器标准化委员会制定了家用数字总线标准，进一步规划了智能住宅技术标准。目前，从智能家居行业的发展上看，主要呈现了下列的发展趋势：1．标准化：产品逐渐依照国际上流行的相关协议进行设计，充分保证各厂家产品间的兼容性和相互操作能力，保证产品能不断适应未来发展趋势，具有充分的发展潜力。2．开放性：智能住宅、家庭自动化、家电网络等产品不可能全部使用同一厂家生产的产品。因此，家庭自动化系统应该具有开放的协议，统一的接口。3．模块化：采用模块化的设计可以适应各种场合的需要，保障用户的利益，并允许系统的逐步到位。模块之间遵循一定的协议，可以相互通讯和协调。智能家居系统中远程视频监控的研究与实现24．实用性：人们购买家庭自动化产品是为了享受更加便利舒适的生活，绝非追逐潮流的概念。因此，家庭自动化产品在为用户提供各种实用化的功能和服务方面更进了一步。5．普及化：家庭自动化系统应该面向低成本，高性能的目标设计，住户对价格较为敏感，所以智能住宅采用的技术要经济实用。同时，家庭自动化系统应该能昀大程度兼容用户原有电器设备，节约用户投资。6．简洁易用：高科技带来的应该是一种享受而绝不是一种负担。好的家庭自动化产品应该简便易用、用户界面友好，并且不需要使用者花上太多的精力就能掌握[8~10]。在智能家居系统中安防是其不可缺少的一部分。由于我国城市人口膨胀，外来人口的增加及煤气和大量家用电器设备使用中的不安全因素等。对小区居民的生命和财产造成了很大威胁：一方面是人为引起的破坏（如盗窃、抢劫等），另一方面是自然灾害引起的破坏（如火灾、煤气泄漏等）。人们越来越迫切要求采用有效的措施以满足日益增长的安全防范需要。目前，传统的安防是采用防盗门和在窗户上加装防盗网等安全防范措施，难以满足现在人们防止外来威胁的要求。为了更有效保证居民的生命和财产的安全，在住宅和住宅小区内引入了智能化的手段进行安全防范管理。智能住宅的安全防范系统是由安全对讲系统、防盗报警系统、防火（火灾报警）系统和防煤气泄漏系统等组成，该安全防范系统是家庭、住宅小区防范外来侵害和自然灾害的一种昀重要的、昀有效的手段，它大大提高了居民自身的安全感，它已成为社会治安的一个重要组成部分。因而，安全防范系统是智能家居自动化系统中必不可少的一个子系统，它为人们创造出一个安全舒适的生活环境[11,12]。在安防系统中视频监控又是一种很直接、实用的方式。从上世纪后期开始视频监控也经历了长时间的发展：传统的方式都有各自的不足，本课题所研究的是昀新一代的监控系统。在人们对家居安全的需求日益增长的前提下，本文对智能家居安防方面的远程视频监控系统做了详细研究。§1-2课题的发展和研究现状1-2-1课题的发展视频监控系统是随着电视和摄像机的发展逐步成长起来的。从传统的一对一监控系统到多路切换控制系统，微处理系统，多媒体监控系统，发展到现在的数字视频监控系统，是一个从模拟到数字化的转化过程，是不断深入结合计算机技术的过程。它大致经历了3个阶段：模拟视频监控系统、准数字视频监控系统和数字视频监控系统[13]。1-2-1-1模拟视频监控系统在上世纪90年代以前，主要是以模拟设备为主的闭路电视监控系统（CCTV），称为第一代视频监控系统。这种系统从出现到现在经历了几十年的发展，可以说技术已经相当成熟了，但是它也存在着一些不足之处，主要有以下几个方面：1．设备异常复杂，扩展性差：布线工程量大，系统的扩展能力差。对于已经建好的系统，如要增加新的监控点，往往是牵一发而动全身，新的设备也很难添加到原有的系统之中。河北工业大学硕士学位论文32．数据采集和保存困难：模拟视频监控系统大多采用录像机作为存储工具，磁带作为存储介质，这种方法不仅记录信息量有限，数据的存储会耗费大量的存储介质（如录像带），而且磁带易变形，磁头、磁带间磨损大，加上采用模拟信号方式记录读取，失真严重，重放的音像质量远不能满足现场的要求，查询取证十分烦琐。3．监控范围小：通常只适合于小范围区域监控。因为模拟视频信号的传输工具主要是同轴电缆，而同轴电缆传输模拟视频信号的距离不大于1Km，双绞线的距离更短，这就决定了模拟监控只适合于单个大楼、小的居民区以及其它小范围的场所。这就说明它只能在本地进行监看，不支持图像的远程传输，所以它已经越来越不能适应时代与用户需求的发展速度。1-2-1-2准数字视频监控系统它是基于PC机的数字硬盘录像系统（DVR）。它的出现弥补了第一代模拟视频监控系统监控范围小、不能远程监控、图像质量差等不足之处。但是这种系统操作复杂、价格昂贵、会造成资源的浪费，同时扩展性也比较差，并且这种监控系统是基于Windows操作系统的，所以它的稳定性欠佳可能导致系统死机现象。1-2-1-3数字视频监控系统该系统是以网络为依托，以数字视频的压缩、传输、储存和播放为核心的，前端主要设备是摄像机和视频服务器。前端只需要一个电源和一个网络接口就能接入网络进行视频远程传输。它的工作原理是：对摄像机传送来的视频信号进行数字转换后，使用高效的编码芯片（或软件压